后處理廠生產執行系統（MES）功能構件設計及架構搭建研究

楊慶彧，劉建偉，李曉薇，蔡孟杭，丁長富

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

圖1 后處理廠企業級信息系統三層結構Fig.1 The three-tier structure of the enterprise-level information system of the post-processing plant

20 世紀70 年代后半期開始，一些企業為了解決生產管理中的個性問題引入了一些單一功能的軟件產品和個別系統，如設備維護系統、質量管理系統、生產統計等功能的生產管理系統，形成了MES 系統的雛形。MES（Manufacturing Execution System）直譯為制造執行系統，俗稱生產執行系統。MES 在20 世紀90 年代初期的重點功能是實現生產現場信息的整合，到了20 世紀90 年代后期，特別是流程制造工業提出了整體解決方案和信息系統的需求，希望通過各種功能，諸如資源分配管理、調度、質量保證管理、設備維護管理、生產績效分析、排程、文件控制，以及物料和生產跟蹤等之間的交互作用來描述MES 過程。同時，將MES 系統與上層企業資源計劃（ERP）等業務系統和底層過程控制系統（PCS）等生產控制系統一起定義為企業的神經系統。MES 系統將業務計劃的指令傳達到生產現場，和將生產現場的信息及時收集、上傳和處理，實現精細化管理和企業全局性優化。MES 是連結現場層和經營層，改善生產經營效益的信息化前沿系統。MES 系統在提高企業的整體運行管理水平上起著極其重要的作用[1,2]。

“十三五”時期，國家的相關規劃都對企業信息化提出了較高的要求，通過信息化和工業化的深度融合，實現結構調整、產業升級，改善企業在工業化經濟中所存在的高消耗、高污染的問題，實現資源、能源的合理利用，以支持綠色、低碳的發展戰略。工信部《石化和化學工業“十二五”發展規劃》，在有關加強企業技術改造的內容中提出推進先進過程控制系統的應用，優化調度、故障診斷，提高集約化生產水平。在《2015 年智能制造試點示范專項行動實施方案》報告中，提出以智能工廠為代表的流程制造試點示范是重點示范之一，在石化、化工等流程制造領域，推進新一代信息技術與制造技術的融合創新，開展智能工廠試點示范項目建設，提升企業的資源配置優化、實時在線優化、生產管理精細化和智能決策科學化水平。

通過對生產執行系統（MES）功能構件設計及架構搭建進行研究，為后處理廠設計一套以生產為核心，以數據平臺和核心數據庫為支撐，集實時數據集成、生產管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環保管控等業務領域為一體的后處理廠生產業務系統。

圖2 生產管控系統構件設計圖Fig.2 Design diagram of production control system components

1 后處理廠MES功能構建設計

MES 系統位于PCS 與ERP 之間，起著承上起下的作用。從后處理廠企業級信息模型（圖1）可以看出，MES在控制層和管理層之間架起了一座橋梁。一方面，MES 通過實時數據庫可以采集現場設備、儀表的狀態數據，對其進行分析計算，將信息進行處理后及時反饋給管理層；另一方面，MES 可以對來自ERP 的管理信息進行分解、細化，并及時將操作指令傳遞給過程控制層。它能提供過程控制層無法實現的車間級調度管理功能，以及管理層無法實現的生產數據的獲取與分析功能，是后處理廠提高經濟效益，實現管控一體化最有效的解決方案[3,4]。

后處理廠MES 系統以數據平臺和核心數據庫為支撐，集實時數據集成、生產管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環保管控等業務領域為一體的后處理廠生產業務集成平臺。后處理廠MES 系統設計重點圍繞生產管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環保管控6 個業務領域開展建設，因此將后處理廠MES 系統分解成6 個功能構件組，這6 個功能構建組下分別構建若干的功能構件。

1.1 生產管控構件組設計

根據后處理廠生產運行實際需求，對生產管控構件組進行設計，搭建成調度指揮、工藝管理、生產執行、操作管理、實時數據庫等構件小組，每個構件組下再設計若干構件，設計的生產管控系統功能構件圖如圖2。

生產管控構件組起到強化生產運行與過程控制縱向一體化管控能力，建設預測預警、操作報警、異常處置、運行監控。管控從計劃、調度向下延伸至控制層。

1.1.1 調度指揮

調度指揮功能構件設計是面向廠級及子項級的調度人員，實現調度指令在線閉環管理與評價，多維度、分角色、集成的調度監控，及時發現生產異常，實現各專業的高效協同，提高生產運行平穩性。

圖3 供應鏈管理系統構件設計圖Fig.3 Component design diagram of supply chain management system

1.1.2 工藝管理

工藝管理構件設計面向公司、子項、車間的工藝管理人員以及各裝置的工藝技術人員，通過工藝變更、工藝指令等業務流程的閉環管理，將工藝管理規范化、標準化，通過工藝資料統一管理，集中保存，實現了工藝知識在后處理廠內的共享和使用。

1.1.3 生產執行

生產執行功能構件設計面向后處理廠的生產執行的各環節，包括：乏燃料接收監控、廢包殼及端頭操作監控、三廢整備監控、核材料追蹤、產品管理、子項管理、倉庫管理、進出廠管理、物料平衡管理、統計平衡等多個方面，實現對后處理廠的生產執行的管控。

1.1.4 操作管理

操作管理功能構件設計是面向生產操作層面的業務支持模塊，通過信息化手段，為班組的安全、規范、平穩生產提供指導，并通過指標競賽、績效考核、獎金兌現等管理手段，強化班組優化操作的意識。

1.1.5 實時數據庫

實時數據庫功能構件設計是用于采集、存儲和處理大量的過程數據，同時為各種類型的用戶、業務系統和生產應用程序提供訪問和利用這些數據的便利。

1.2 供應鏈管理

根據后處理廠供應鏈管理實際需求，對供應鏈管理構件組進行設計，搭建成計劃管理、物流管理庫等構件小組，每個構件組下再設計若干構件，設計的供應鏈管理功能構件圖如圖3。

供應鏈構件組起到建設計劃生產協同優化、物資管理、物流管理，實現生產業務從計劃、調度到裝置層面，物流物資從進廠、庫存、出庫、發貨和監管業務線上管理[5]。

圖4 能源管理構件設計圖Fig.4 Design drawing of energy management components

1.2.1 計劃管理

計劃管理功能構件設計是建設涵蓋計劃、調度、裝置優化、數據交互的協同與優化模塊，基于后處理廠生產經營條件，實現由全局到局部優化，由月度到日常優化的協調統一和無縫銜接。

1.2.2 物流管理

物流管理功能構件設計是建設進出廠物流管理，包括從物流訂單下達到物流運輸計劃執行、服務商管理等方面。

1.3 能源管理

根據后處理廠能源管理實際需求，對能源管理構件組進行設計，搭建成能源計劃、能源運行、能源統計等構件小組，每個構件組下再設計若干構件，設計的能源管理功能構件圖如圖4。

能源管理構件組是以能源優化為重點，建立動力管網優化、能流管理，提高后處理廠能源利用水平，實現“能效倍增”。

1.3.1 能流管理

能流管理功能構件設計通過能源管理系統的實施，做到能源的及時跟蹤與后處理廠能源消耗統計，為后處理廠優化用能提供有力支撐，為后處理廠節能降耗、節能減排提供依據。

1.3.2 水資源管理

水資源管理構件設計是建立水資源管理系統。通過水資源管理，對后處理廠的工業水系統進行全面監控和管理。

1.4 設備管理

設備管理功能構件設計是根據后處理廠設備管理實際需求，對設備管理構件組進行設計，搭建成設備全生命周期管理、設備運行管理、設備維修管理、設備健康管理等構件小組，每個構件組下再設計若干構件[6]。

1.4.1 設備全生命周期管理

設備全生命周期管理功能構件設計是實現了主數據從申請、審批、創建，到設備各種專業檔案信息的集成，覆蓋了設備基礎技術信息、維修維護的專業信息和相關維修維護組織信息，為設備管理提供了基礎數據和專業展示查詢。

1.4.2 設備運行管理

設備運行管理功能構件設計是針對通知單管理、裝置和設備開停機管理。

1.4.3 設備維修管理

維修管理功能構件設計主要包括修理費預算管理、工單管理、在線運行分析。

1.5 安全管理

根據后處理廠安全管理實際需求，對安全管理構件組進行設計，搭建成輻射安全防護、安全管理、安全風險管控等構件小組，每個構件組下再設計若干構件。

能源管理構件組是建立設備性能模型，對典型設備進行狀態分析和效能分析，核算設備實際效率和能耗，并與設計指標進行偏差分析，找到優化方向，降低運營成本。

1.5.1 輻射安全防護

敷設安全防護功能構件設計通過提供如何使輻照合理可行盡量低的指南和說明，實際控制呼吸器的分配，跟蹤放射源和放射性檢測儀器，確保人員安全和遵守規定。

1.5.2 安全管理

安全管理功能構件設計是以安全診斷為核心，建立安全管理薄弱環節診斷模型，全面支撐后處理廠安全生產。

1.6 環保管理

根據后處理廠環保管理實際需求，對環保管理構件組進行設計，搭建成環保管理、環保風險管控等構件小組，每個構件組下再設計若干構件，設計的環保管理功能構件圖如圖5。

1.6.1 環保管理

環保管理的功能構件設計內容如下：

● 地圖管理。

● 生產裝置環保監控。

● 環保治理設施監控。

● 統計分析。

1.6.2 環保風險監控

環保風險管理的功能構件設計內容如下：

● 三廢管理。

● 異常排污管理。

● 在線監測。

● 統計分析。

圖5 環保管控構件設計圖Fig.5 Design drawing of environmental protection control components

2 后處理廠MES系統架構搭建與實施

后處理廠的生產首先從生產計劃開始，到產品的分銷與運輸，需要完成綜合信息管理、車間控制系統/裝置的聯合控制、能源監測與計量控制到生產計劃、調度等，實現一體化的管理。后處理廠MES 系統的架構搭建，包括：總體架構設計、基礎數據設計、數據庫設計、模塊設計、界面設計、接口設計等重要內容。

2.1 生產執行系統總體架構

根據后處理廠架構規劃方法，結合先進的企業架構設計理念，搭建適用于后處理廠的生產執行系統架構，確保后處理廠未來業務目標的實現。

MES 系統硬件總體架構如圖6。

設計搭建后處理廠MES 系統，建成以生產執行為核心、互聯智能的生產運營信息化體系，實現工廠運營的數字化、網絡化、智能化，支撐后處理廠在質量效益、綠色低碳、安全環保的先進水平。

設計建立信息安全體系：融合信息安全最佳實踐，從網絡安全、系統安全、數據安全和終端安全4 個維度進行防范。并結合總部IT 運行管控平臺的推廣實施，實現不同維度的日志集中采集、監控和綜合審計分析的信息安全事件可視化管控。

2.2 應用架構

基礎數據和數據庫設計需要整理后處理各子項重要的運行參數，以支撐MES 系統各功能構件的實現。

支持后處理廠生產各專業的運行和管理；過程控制與裝備層，涵蓋了后處理廠現場的控制系統、制造物聯設備、傳感器和智能儀表，以及裝置的過程控制。

2.3 模塊架構

后處理廠MES 系統采用模塊化設計，技術架構采用“平臺+應用”的模式。技術架構如圖8。

圖6 后處理廠MES系統硬件總體架構圖Fig.6 Overall architecture diagram of MES system hardware of post-processing plant

圖7 MES獲取PCS數據處理流程圖Fig.7 Flow chart of MES acquiring PCS data processing

后處理廠MES 系統的數據架構主要分為3 部分：業務域應用數據、企業數據倉庫、大數據平臺。

業務域應用數據庫實現交易數據的存儲，后處理廠企業數據倉庫實現數據標準化、數據共享及數據分析；大數據平臺通過分布式存儲實現結構化、半結構化和非結構數據的挖掘和分析。

2.4 信息安全

信息安全設計主要包括以下內容：

1）信息安全管控

從方案設計、產品配置、安全自測、審計等方面進行安全建設和安全操作管理。

2）基礎設施安全

① 網絡構成

設計安全域，制定區域安全策略，制定黑白名單。采用防火墻、入侵檢測、物理網閘等進行安全隔離，訪問控制和入侵檢測；不同安全域通過物理防火墻安全隔離，實現訪問控制；通過安全組、虛擬防火墻實現同一區域內不同應用間的邏輯隔離及安全訪問控制。

圖8 后處理廠MES系統數據架構圖Fig.8 Data architecture diagram of MES system of post-processing plant

② 節點和主機

建立適合智能化應用環境和安全需求的標準主機安全加固基線，制作統一標準的云主機安全鏡像文件。

3）業務應用安全

部署應用層防火墻，數據庫審計系統應對應用層攻擊和數據庫攻擊；代碼安全檢測：在系統開發過程中，及時發現應用設計漏洞，降低后期修復代碼級漏洞的成本。

4）關鍵操作保護

調度指揮、供應鏈支撐等組件對于數據的完整性和不可否認性要求高，需在業務操作中要求雙因素認證，提高認證強度，防止非法訪問系統；對關鍵操作使用數字簽名技術實現抗抵賴防護；在應用開發階段完善日志功能，實現關鍵操作可以通過日志審計發現操作痕跡，加強事件事后追溯能力。

5）關鍵數據保護

部署數據庫審計系統（數據庫防火墻）：生產管控中的調度專家庫，工藝規程等組件，供應鏈管理的日效益分析、供應鏈支持等組件對于機密性要求高，需要辨別關鍵控制節點與處理措施，完善應用開發的數據分類分級管理，細化數據庫訪問行為的審計策略，設定異常數據行為，采用數據簽名與強身份認證保護，實現對關鍵數據的保護；設計重要數據的權限配置，設計重要數據的加密策略。

6）加強審計

實現應用系統賬號全生命周期性審計，對安全軟件日志進行詳細審計，防止惡意軟件的破壞。

3 結論

通過開展MES 系統功能構件設計、MES 系統架構搭建的研究，為后處理廠構建一套以生產為核心，以數據平臺和核心數據庫為支撐，集實時數據集成、生產管控、供應鏈管理、能源管控、設備管理、安全管控和環保管控等業務領域為一體的具備高度信息化、集成化、模塊化、可視化、自動化、智能化的后處理廠生產執行系統。提升后處理廠互聯感知、優化協同、預測預警、核安全應急響應和科學決策能力，實現生產效能提升，增強后處理廠穩定運行能力。